地铁隧道施工邻近地下管线沉降分析

2021-10-20姚元白国飞

中华建设 2021年10期

姚元白国飞

一、引言

隧道是相对于地面建筑有明显区别的地下结构，表现在其勘探、设计、施工以及运营全寿命期间均处于地下应力场环境中。在施工中，随着隧道内长期承受固结应力的岩土体被挖除，岩土体受开挖影响进行应力重分布，由于岩土体的流变效应，其变形和压力均随时间而发生变化。若是未受到约束，受扰动部分岩土体的位移会一直持续，直到隧道破环在顶部岩土体坍塌形成“塌落拱”。

近年我国在隧道工程领域，越来越多的地下结构在土体中修建，土质隧道开挖的围岩稳定性越来越受到工程技术人员的广泛关注。土体的工程性质差于岩体，表现为应变大，强度低，承载能力低。

在土质隧道研究领域，袁冉等针对典型的砂土和软黏土，通过ABAQUS进行浅埋土质隧道开挖施工的二维有限元分析以及并采用离心机试验，探讨了控制土体初始强度各向异性和非共轴特性的各参数对隧道开挖引起地表土体沉降的影响。黄俊等通过对浅埋圆形隧道中具有独立受力状态的两组计算模型进行分析，分别给出两组模型在弹性和弹塑性状态下应力、应变和位移解析，从而提出计算地层损失率的弹塑性方法。此外，王清标等利用监控数据和现场施工相结合深入分析膨胀土沉降和变形，对隧道施工工艺进行优化，探究隧道控制沉降变形措施。

本文以南昌地铁三号线邓埠站1号出入口暗挖隧道为例，对出入口隧道暗挖施工期间的管线沉降进行监测，利用其监测数据分析现有措施下隧道暗挖施工的邻近地下管线沉降特征。

二、工程概况

在邓埠站附属1号出入口暗挖隧道工程范围内，其地层主要以具有二元结构，沉积物粗细变化显著的河流冲积层为主。地层岩性均表现出由上部粘性土逐渐过渡到下部的非粘性土（砂土）的变化特点，岩土地层自上而下逐渐变得密实，施工全范围内未见软弱层。

经现场勘探，将施工场地地层自上而下划分为填土层、粘土层、砂土层（中砂、粗砂、砾砂）以及泥质粉砂岩层。在施工阶段，1号出入口范围内因不存在地下水不需考虑降水问题，仅考虑施工场地面排水措施。

三、施工监测方案

本隧道在施工期间坚持每日对管线、桩顶等重要部位进行进监测，采取动态施工，及时纠偏。隧道采用CRD工法施工，全长23.60m。开挖前在隧道拱顶及两侧2m范围内采用WSS工法深孔注浆，采用超前大管棚注浆加固，防止拱顶下沉，并沿拱顶轮廓线打设超前小导管注浆加固。

如图1所示，在出入口隧道上部按开挖方向依次分别为Φ500污水管、Φ1500雨水管、Φ800给水管以及国防军缆，其中国防军缆为PVC管材，其它为砼管。出入口隧道暗挖施工阶段管线沉降的监测方案为：在四种管线位于隧道拱顶及拱部左右侧分别布置一个沉降监测点，特别的，国防军缆、污水管线和雨水管线分别在拱部左右侧之外5 m分别布置一个沉降观测点。

图1 邓埠站附属1号出入口管线分布结构剖面示意图

雨水管线和污水管线顶部地面受到社会车辆及行人荷载作用，给水管线和国防军缆位于车站东侧施工便道下，无社会车辆通行。故Φ800给水管道允许沉降控制值为10mm，Φ1500雨水、Φ500污水管变形控制允许沉降控制值为20mm。

四、管线沉降分析

在邓埠站附属1号出入口隧道暗挖阶段，其上部既有管线群的沉降量如图2所示。需要说明的是，管线沉降—时间关系图上斜率为正时表示管线发生向下位移，斜率为负表示管线发生向上位移。根据邓埠站附属结构工程资料可以得知，针对于邓埠站附属1号出入口暗挖工程，开始建设前18天为1、2号导洞开挖，后9天为3、4号导洞开挖，开挖总历时27天。

图2 管线沉降量示意图

通过图2和表1对各种管线在出入口隧道暗挖施工全阶段产生沉降量进行分析，可以得到隧道上部管线沉降具有以下规律：

（1）隧道开挖对管线沉降的影响是有一定范围限制的，在开挖施工中，掌子面距离管线超过一定距离后施工对管线沉降的影响可以忽略不计。如图2所示，在施工前6天管线沉降可以忽略不计，其普遍沉降量均在0.5 mm以内，只有国防军缆（PVC）沉降量稍大；其中给水管线、国防军缆、雨水管线、污水管线分别在距施工结束前5天、4天、3天、3天内沉降量基本保持不变。

（2）在隧道开挖施工对邻近管线沉降变化的时空效应中，隧道开挖的空间效应对上部管线沉降的影响程度大于时间效应对上部管线沉降的影响。由表1可知，在1、2号导洞贯穿（第18日）时，上部管线的沉降量为总沉降量的一半左右，给水、国防、雨水和污水管线在18日的沉降量分别占总沉降量的59%、54%、48%和61%。

（3）管线沉降速率与其下部的隧道截面宽度有关，沉降速率随截面宽度增加而增加。由表1结合图2可得，在隧道暗挖施工阶段，给水管线沉降速率在前18日为0.207 mm/d，后9日沉降速率为0.358 mm/d，国防军缆和雨水管线前18日沉降速率分别为0.282 mm/d和0.217 mm/d，后9日沉降速率分别为0.532 mm/d和0.549 mm/d，且后9日管线沉降速率比前18日沉降速率快两倍左右。

表1 管线沉降分析表

隧道开挖对邻近不同条件（管径、材质、埋深、环境）下的地下管线沉降影响是各不相同的，对各类管线沉降量监测数据取均值并绘制管线沉降量均值示意图（图3），通过分析得出规律如下：

（1）刚度大的管线比刚度小的管线受影响程度小。由图3可知，因为PVC管材刚度远远小于砼管，在四种地下管线中，与给水、污水和雨水管线（砼管）相比，国防军缆（PVC）的沉降量受隧道开挖影响最大，最大沉降量可达10.02 mm。

图3 管线沉降量均值示意图

（2）在材料、环境相同的情况下，直径大的管线比直径小的管线受影响程度小。污水管线和雨水管线底部到隧道顶部的距离相近，上方路面均有车辆及人行荷载，但是污水管线最大沉降量均值为4.40 mm，雨水管线为8.15 mm，相差1.85倍。

在隧道暗挖施工全过程中，由图2可得，给水管线最大沉降量为6.95 mm，沉降量允许控制值为10 mm，雨水管线最大沉降量为10.62 mm，污水管线最大沉降量为6.31 mm，沉降允许控制值为20 mm；这三种管线最大沉降量分别只到沉降允许控制值的69.50 %、53.10 %和31.55 %，表明在出入口暗挖施工阶段采取的管线沉降控制措施取得了良好的效果。